降雨入滲對填土高邊坡穩定性影響研究

董 雪

(中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

0 引言

降雨是誘發非飽和土體邊坡失穩的主要因素之一，在降雨入滲條件下邊坡土體逐漸從非飽和狀態向飽和狀態轉換，非飽和區基質吸力降低，土體抗剪強度降低，滲流力加劇了邊坡的下滑趨勢，從而誘發邊坡失穩破壞[1，2]。降雨過程中影響邊坡穩定性的因素包括邊坡形態特征、巖土體結構性質、巖土體前期水分條件和初始水位、降雨參數(雨型、雨強和持時)等[3,4]。本文基于非飽和土體的強度理論并結合邊坡剛體極限平衡方法，以丹東市某硼泥堆填土高邊坡為例，利用有限元軟件Geo-studio模塊耦合對高邊坡在天然狀態和降雨入滲條件下的穩定狀態進行分析，得出兩種狀態下，高邊坡的安全系數，并探討降雨因素對邊坡穩定性的影響機理，為硼泥堆高邊坡后續的地質災害防治工作提供理論依據。

1 降雨入滲規律和雨水運動特征

大多數情況下，邊坡土體按含水量情況可呈現漸變特征[5]，從表及里依次劃為淺表層的干土區域、過渡的非飽和區域、地下水位以下飽和區域如圖1a)所示。降雨入滲將引起土體的含水率、孔隙水壓力、地下水位等參數發生變化。在降雨初期階段，因淺層土體干燥，毛細負壓大，水分在毛細負壓和重力共同作用下下滲，當土壤顆粒的含水量大于其自身的持水量時，干土區域消失，并轉變成非飽和區，這個過程也叫做滲潤階段，此時降雨能全部滲入到邊坡土體內部，坡腳處出現逸出點，土體孔隙水壓力升高，出現暫態飽和區，如圖1b)所示。隨著降雨歷時持續，雨水分子在重力、毛管力等作用下，通過土壤顆粒孔隙向深部運移延伸，土體顆粒孔隙逐漸被雨水分子充填趨于飽和，這個階段是滲漏階段，當土體孔隙完全被水分充填飽和時，水分子在重力作用下呈穩定流動，達到滲透階段[6]。此時斜坡淺層(坡頂和坡表處)土體由非飽和狀態趨于暫態飽和狀態，浸潤線附近土體含水量增大，孔隙水壓力由負壓狀態變為正壓狀態，土體結構強度降低。降雨強度超過地表入滲能力時，便產生地表坡流，如圖1c)所示。降雨結束后，坡腳附近的地表徑流還要持續一段時間，斜坡淺表層飽和土體中的水分因蒸發作用變成干燥狀態，暫態飽和區消散，潛水位會因雨水入滲而上升，在潛水位以上局部區域分布著非飽和土區域，如圖1d)所示。

2 工程概況

丹東市某硼泥堆位于低山山腳處，地貌單元屬河流Ⅱ級階地。項目區系東北地區暴雨中心區，日降水量最高達657.9 mm，平均年降水量1 000 mm～1 200 mm，最多年降雨量達1 815 mm(1985年)，最少年降雨量659.5 mm(1965年)。

根據前期勘察資料，硼泥堆高邊坡是人工填筑的方式形成的，填土壓實性差，土體滲透性較好。邊坡坡頂高程265 m，坡底高程215 m，相對高差達50 m，邊坡共分4級修建，從底到頂，坡高分別為15 m，15 m，10 m,10 m，坡角34°，34°，32°，32°，每級坡間設置5 m寬平臺。地層巖性從新到老順序為素填土(主要成分以硼泥礦渣為主，局部含角礫)、粉質黏土(原始地表層)、花崗巖(全風化～強風化)，地下水高程209 m，詳見圖2。

3 計算模型及參數

3.1 建立模型

數值模擬采用有限元軟件Geo-studio的Seep/w和Slope/w模塊耦合計算，應用Seep/w模塊進行穩態和瞬態滲流分析，確定硼泥堆邊坡的初始孔隙水壓力條件、浸潤線、應力分布等特征參數的變化，再將計算文件作為父文件導入Slope/w模塊，計算不同降雨時步下的邊坡安全系數。結合現場實際情況，將硼泥堆高邊坡概化模型分成3層，素填土、粉質黏土和花崗巖，模型網格密度1.0 m，共劃分單元數6 981個，7 177個節點。

3.2 設置邊界條件

Seep/w模塊邊界條件設置如下：底部不透水邊界(即不設置任何邊界條件)；兩側邊界條件地下水以上按零流量邊界，地下水位以下按壓力水頭邊界，水頭值等于地下水位；上部邊界當降雨強度小于土壤表面的入滲能力時，計算入滲速率取為降雨強度，邊界條件為第二類邊界條件；當降雨強度大于土壤表面的入滲能力時，可按給定水頭邊界處理，邊界條件轉換為第一類邊界條件。

3.3 選取計算參數

硼泥堆高邊坡的各層巖土物理力學參數具體見表1。

表1 各層巖土物理力學參數

根據當地水文氣象資料，選取暴工況下降雨強度4 mm/h，降雨持續時間96 h，因降雨強度小于邊坡土體的入滲強度，坡面按流量邊界處理。

4 數值模擬結果分析

4.1 在天然狀態下的穩定性分析結果

在天然狀態下，邊坡內部地下水位以上土體為非飽和區，孔隙水壓力為負值且呈線性特征分布，由非飽和土理論可知，負孔隙水壓力(基質吸力)對于邊坡整體穩定有利；在地下水位附近及以下部位為飽和區，孔隙水壓力變為正值，在壓力水頭的作用下，水分由坡體內部向坡外運移。根據文獻[7]中相關規定，按照Morgenstern-Price極限平衡法求出此狀態下邊坡安全系數Fs=1.32>Fst=1.3，判定邊坡處于穩定狀態，計算分析結果如圖3所示。

4.2 降雨對邊坡滲流影響

降雨過程中硼泥堆高邊坡坡體孔隙水壓力整體變化趨勢：坡內部非飽和區內負孔隙水壓力(基質吸力)隨著降雨持續時間的增大而逐漸降低，淺表部的負壓轉變成正值，地下水水位升高，浸潤線上升。如圖4a)所示在降雨初期，因坡面表土干燥，土體入滲能力強，負孔隙水壓力值較大；圖4b)和圖4c)中降雨歷時持續增加，在淺表部坡面形成了由暫態飽和區構成的“飽和殼”，其隨著降雨過程持續而向邊坡深部擴展，即坡表的土體由非飽和土變成飽和土，相應的土體孔隙水壓力由負壓轉變成正值，坡內部負孔隙水壓力值也逐漸降低，坡腳處的滲流量逐漸增加；降雨持續75 h以后，坡體內部的暫態飽和區變化程度減弱，這也符合文獻[5]的研究觀點，降雨過程主要影響坡面以下30 m范圍內，此范圍內土體基質吸力變化形成暫態飽和區。在坡體淺表部，因土體飽和后含水量增加，水分從頂部向下方運移，地下水位升高，在滲透性突變的素填土與粉質黏土的界面處，地下水向下部運移受阻轉而向坡腳臨空面方向運動，導致地下水流集中于坡腳界面附近如圖4d)所示。

4.3 降雨入滲對土質高陡邊坡穩定性影響機理分析

降雨條件下，雨水在重力作用下沿土體孔隙、空隙下滲，坡體淺表部土體由非飽和轉變成飽和狀態并逐漸向坡體深部延展，孔隙水壓力值由負變正，則有效應力降低，導致土體的抗滑力逐漸降低；加之土體含水量增加，土體的下滑力不斷增大；在重力場和滲透場作用下，地下水位升高，坡腳附近臨空面附近剪應力集中現象。隨著降雨入滲過程的持續增加，土體的抗滑力與下滑力此消彼長，邊坡穩定性不斷的降低。本例中硼泥堆高邊坡屬于人工填筑，填土壓實性差，為降雨入滲提供了良好的滲流通道；硼泥堆成分以硼泥礦渣為主，其力學性能具有“結構性強度”特征，即在干燥缺水的情況下，土體表現出良好的力學性能，一旦遇水后，土體強度會大幅度降低。

通過前文的分析，降雨入滲對硼泥堆高陡邊坡的穩定性影響范圍多集中在坡體淺表部，邊坡的破壞模式以淺部剪切滑動破壞為主，隨著降雨歷時的逐漸累加，邊坡的安全系數逐漸降低，至降雨結束時刻，安全系數最小Fs=1.07

5 結論

通過對丹東市某硼泥堆高邊坡降雨入滲對其穩定性影響的數值模擬分析，得出以下結論：

1)天然狀態下，安全系數Fs=1.32>Fst=1.3，硼泥堆高邊坡處于穩定狀態；

2)降雨條件下，降雨強度4 mm/h，降雨持續時間96 h，安全系數Fs=1.07

3)通過研究硼泥堆高邊坡破壞機理得出：在降雨入滲條件下，邊坡表層土體逐漸從非飽和向飽和狀態轉換，孔隙水壓力由負轉正，有效應力下降，土體抗剪強度降低；隨著降雨入滲過程的持續增加，土體的抗滑力與下滑力此消彼長，加劇了邊坡的下滑趨勢，從而誘發邊坡失穩破壞；

4)降雨入滲對硼泥堆高邊坡的穩定性影響范圍主要集中在坡體淺表部的土體，邊坡的破壞模式以淺部剪切滑動破壞為主，隨著降雨歷時的累加，邊坡的安全系數逐漸降低，至降雨結束時刻，安全系數最小。